DE102024000328B3 - Electric drive system and charging method - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein elektrisches Antriebssystem für ein Fahrzeug, mit einer elektrischen Maschine (2) mit drei Statorwicklungen (L1, L2, L3), einer Hochvolt-Batterie (3) und einem Inverter (1) zur Spannungsversorgung der elektrischen Maschine (2), wobei der Inverter (1) drei Halbbrücken (HB1, HB2, HB3) aufweist, die aus jeweils zwei Halbleiterschaltern (S1 bis S6) gebildet sind, an deren Mittelabgriffen je eine der Statorwicklungen (L1, L2, L3) angeschlossen ist, wobei ferner eine DC-Anschlussdose (4) zum Laden der Hochvolt-Batterie (3) mittels einer Gleichspannung und/oder eine AC-Anschlussdose (5) zum zumindest einphasigen Laden der Hochvolt-Batterie (3) mittels einer Wechselspannung angeordnet ist, wobei
- eine Diode (D1) oder ein Halbleiter mit Diodenfunktion zwischen dem Mittelabgriff einer der Halbbrücken (HB1 bis HB3) und einem Kontakt der AC-Anschlussdose (5) und/oder der DC-Anschlussdose (4) in Sperrrichtung gepolt angeordnet ist,
- eine Diode (D2) oder ein Halbleiter mit Diodenfunktion zwischen dem Mittelabgriff einer anderen der Halbbrücken (HB1 bis HB3) und einem anderen Kontakt der AC-Anschlussdose (5) und/oder der DC-Anschlussdose (4) in Sperrrichtung gepolt angeordnet ist,
- je eine Diode (D3, D4) oder je ein Halbleiter mit Diodenfunktion von einem negativen Hochvoltpotential (HV-) des Inverters (1) zu jedem der beiden Kontakte der AC-Anschlussdose (5) und/oder der DC-Anschlussdose (4) in Durchlassrichtung gepolt angeordnet ist.
The invention relates to an electric drive system for a vehicle, comprising an electric machine (2) with three stator windings (L1, L2, L3), a high-voltage battery (3) and an inverter (1) for supplying voltage to the electric machine (2), wherein the inverter (1) has three half-bridges (HB1, HB2, HB3), each formed from two semiconductor switches (S1 to S6), to whose center taps one of the stator windings (L1, L2, L3) is connected, wherein a DC connection box (4) for charging the high-voltage battery (3) by means of a direct voltage and/or an AC connection box (5) for at least single-phase charging of the high-voltage battery (3) by means of an alternating voltage is arranged, wherein
- a diode (D1) or a semiconductor with diode function is arranged between the center tap of one of the half-bridges (HB1 to HB3) and a contact of the AC connection box (5) and/or the DC connection box (4) with reverse polarity,
- a diode (D2) or a semiconductor with diode function is arranged between the center tap of another of the half-bridges (HB1 to HB3) and another contact of the AC junction box (5) and/or the DC junction box (4) with reverse polarity,
- one diode (D3, D4) or one semiconductor with diode function is arranged from a negative high-voltage potential (HV-) of the inverter (1) to each of the two contacts of the AC connection box (5) and/or the DC connection box (4) with forward polarity.
Description
Die Erfindung betrifft ein elektrisches Antriebssystem für ein Fahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Laden einer Hochvolt-Batterie des elektrischen Antriebssystems gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 7 oder 8.The invention relates to an electric drive system for a vehicle according to the preamble of
- - einer Schaltvorrichtung, welche aufweist:
- - einen ersten Schaltzustand, in welchem ein Ladeanschluss mit einem elektrischen Energiespeicher des Fahrzeugs direkt verbunden ist, sodass der elektrische Energiespeicher mit einer Eingangsspannung, welche am Ladeanschluss anliegt, aufladbar ist,
- - einen zweiten und dritten Schaltzustand, in welchem der Ladeanschluss über einen Wechselrichter mit dem elektrischen Energiespeicher verbunden ist, sodass der elektrische Energiespeicher in Abhängigkeit von dem Wechselrichter aufladbar ist.
- - a switching device which comprises:
- - a first switching state in which a charging connection is directly connected to an electrical energy storage device of the vehicle, so that the electrical energy storage device can be charged with an input voltage applied to the charging connection,
- - a second and third switching state in which the charging connection is connected to the electrical energy storage device via an inverter, so that the electrical energy storage device can be charged depending on the inverter.
- - einer elektrischen Drehstrommaschine zum Antreiben des Fahrzeugs,
- - einem elektrischen Energiespeicher zum elektrischen Versorgen der elektrischen Drehstrommaschine während eines Fahrbetriebs des Fahrzeugs,
- - einem Wechselrichter der elektrischen Drehstrommaschine, welcher mit dem elektrischen Energiespeicher elektrisch gekoppelt ist, und
- - einem fahrzeugseitigen Ladeanschluss zum elektrischen Koppeln des elektrischen Energiespeichers mit einer fahrzeugexternen Ladeeinheit, wobei
- - in Abhängigkeit von dem Wechselrichter eine Ladespannung des fahrzeugseitigen Ladeanschlusses in eine Versorgungsspannung zum Laden des elektrischen Energiespeichers umwandelbar ist.
- - an electric three-phase machine to drive the vehicle,
- - an electrical energy storage device for supplying the three-phase electric machine with electricity while the vehicle is in operation,
- - an inverter of the three-phase electric machine, which is electrically coupled to the electrical energy storage device, and
- - a vehicle-side charging connection for electrically coupling the electrical energy storage device with a vehicle-external charging unit, wherein
- - depending on the inverter, a charging voltage of the vehicle-side charging connection can be converted into a supply voltage for charging the electrical energy storage device.
Aus der
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein neuartiges elektrisches Antriebssystem für ein Fahrzeug und ein neuartiges Verfahren zum Laden einer Hochvolt-Batterie des elektrischen Antriebssystems anzugeben.The invention is based on the object of providing a novel electric drive system for a vehicle and a novel method for charging a high-voltage battery of the electric drive system.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein elektrisches Antriebssystem für ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Laden einer Hochvolt-Batterie des elektrischen Antriebssystems mit den Merkmalen des Anspruchs 7 oder 8.The object is achieved according to the invention by an electric drive system for a vehicle having the features of
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous embodiments of the invention are the subject of the subclaims.
Es wird ein elektrisches Antriebssystem für ein Fahrzeug vorgeschlagen, mit einer elektrischen Maschine mit drei Statorwicklungen zum Antrieb des Fahrzeugs, einer Hochvolt-Batterie und einem Inverter zur Wandlung einer Gleichspannung der Hochvolt-Batterie in eine Wechselspannung zur Versorgung der elektrischen Maschine, wobei der Inverter eine B6-Brücke aus drei Halbbrücken aufweist, die aus jeweils zwei Halbleiterschaltern gebildet sind, an deren Mittelabgriffen je eine der Statorwicklungen angeschlossen ist. Ferner ist eine DC-Anschlussdose zum Laden der Hochvolt-Batterie mittels einer Gleichspannung und/oder eine AC-Anschlussdose zum zumindest einphasigen Laden der Hochvolt-Batterie mittels einer Wechselspannung angeordnet. Erfindungsgemäß ist
- - eine Diode oder ein Halbleiter mit Diodenfunktion zwischen dem Mittelabgriff einer der Halbbrücken und einem Kontakt der AC-Anschlussdose und/oder der DC-Anschlussdose in Sperrrichtung gepolt angeordnet,
- - eine Diode oder ein Halbleiter mit Diodenfunktion zwischen dem Mittelabgriff einer anderen der Halbbrücken und einem anderen Kontakt der AC-Anschlussdose und/oder der DC-Anschlussdose in Sperrrichtung gepolt angeordnet,
- - je eine Diode oder je ein Halbleiter mit Diodenfunktion von einem negativen Hochvoltpotential des Inverters zu jedem der beiden Kontakte der AC-Anschlussdose und/oder der DC-Anschlussdose in Durchlassrichtung gepolt angeordnet.
- - a diode or a semiconductor with diode function is arranged between the center tap of one of the half-bridges and a contact of the AC junction box and/or the DC junction box, polarized in the reverse direction,
- - a diode or a semiconductor with diode function is arranged between the center tap of another of the half-bridges and another contact of the AC junction box and/or the DC junction box, polarized in the reverse direction,
- - one diode or one semiconductor with diode function arranged from a negative high-voltage potential of the inverter to each of the two contacts of the AC connection box and/or the DC connection box, polarized in the forward direction.
In einer Ausführungsform sind die Halbleiterschalter und/oder die Halbleiter mit Diodenfunktion als MOSFET oder IGBT mit Freilaufdiode ausgebildet.In one embodiment, the semiconductor switches and/or the semiconductors with diode function are designed as MOSFETs or IGBTs with freewheeling diodes.
In einer Ausführungsform weist der Inverter einen Zwischenkreiskondensator auf.In one embodiment, the inverter has an intermediate circuit capacitor.
In einer Ausführungsform weist der Inverter Strommessgeräte zur Wechselstrommessung zwischen den Mittelabgriffen der Halbbrücken und den Statorwicklungen auf.In one embodiment, the inverter has current measuring devices for measuring the alternating current between the center taps of the half-bridges and the stator windings.
In einer Ausführungsform sind zur Spannungsfreischaltung zweier Leiter, einschließlich eines Phasenleiters und eines Nullleiters, der AC-Anschlussdose zwei Relaiskontakte zwischen dem jeweiligen Leiter und den daran angeschlossenen Dioden angeordnet. Alternativ oder zusätzlich sind zur Spannungsfreischaltung zweier Leiter, einschließlich eines positiven Potentialleiters und eines negativen Potentialleiters, der DC-Anschlussdose zwei Relaiskontakte zwischen dem jeweiligen Leiter und den daran angeschlossenen Dioden angeordnet.In one embodiment, two relay contacts are arranged between the respective conductor and the connected diodes to de-energize two conductors, including a phase conductor and a neutral conductor, of the AC junction box. Alternatively or additionally, two relay contacts are arranged between the respective conductor and the connected diodes to de-energize two conductors, including a positive potential conductor and a negative potential conductor, of the DC junction box.
In einer Ausführungsform sind in Richtung des Inverters je ein der DC-Anschlussdose zugeordneter Relaiskontakt und ein der AC-Anschlussdose zugeordneter Relaiskontakt untereinander zu einem Paar verbunden.In one embodiment, one relay contact assigned to the DC connection box and one relay contact assigned to the AC connection box are connected to each other to form a pair in the direction of the inverter.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Laden der Hochvolt-Batterie des beschriebenen elektrischen Antriebssystems an einer DC-Ladestation mit Boost-Funktion vorgeschlagen, wobei die DC-Ladestation mit der DC-Anschlussdose verbunden wird. Erfindungsgemäß wird ein als Low-Side-Schalter angeordneter Halbleiterschalter einer der Halbbrücken, die über eine der Dioden mit der DC-Anschlussdose verbunden ist, taktend angesteuert.According to one aspect of the present invention, a method for charging the high-voltage battery of the described electric drive system at a DC charging station with a boost function is proposed, wherein the DC charging station is connected to the DC junction box. According to the invention, a semiconductor switch arranged as a low-side switch of one of the half-bridges, which is connected to the DC junction box via one of the diodes, is controlled in a clocked manner.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Laden der Hochvolt-Batterie des beschriebenen elektrischen Antriebssystems an einer AC-Ladestation vorgeschlagen, wobei die AC-Ladestation mit der AC-Anschlussdose verbunden wird. Erfindungsgemäß wird während einer positiven Halbwelle einer von der AC-Ladestation eingespeisten Wechselspannung ein als Low-Side-Schalter angeordneter Halbleiterschalter einer der Halbbrücken, die über eine der Dioden mit der DC-Anschlussdose verbunden ist, taktend angesteuert, wobei während einer negativen Halbwelle der von der AC-Ladestation eingespeisten Wechselspannung ein als Low-Side-Schalter angeordneter Halbleiterschalter einer anderen der Halbbrücken, die über eine der Dioden mit der DC-Anschlussdose verbunden ist, taktend angesteuert.According to a further aspect of the present invention, a method for charging the high-voltage battery of the described electric drive system at an AC charging station is proposed, wherein the AC charging station is connected to the AC junction box. According to the invention, during a positive half-wave of an alternating voltage fed in by the AC charging station, a semiconductor switch arranged as a low-side switch of one of the half-bridges, which is connected to the DC junction box via one of the diodes, is controlled in a clocking manner, wherein during a negative half-wave of the alternating voltage fed in by the AC charging station, a semiconductor switch arranged as a low-side switch of another of the half-bridges, which is connected to the DC junction box via one of the diodes, is controlled in a clocking manner.
In einer Ausführungsform kann bei geöffnetem Low-Side-Schalter der als High-Side-Schalter angeordnete Halbleiterschalter derselben Halbbrücke geschlossen werden, sobald ein Strom über seine Bodydiode oder Freilaufdiode fließt.In one embodiment, when the low-side switch is open, the semiconductor switch of the same half-bridge arranged as a high-side switch can be closed as soon as a current flows through its body diode or freewheeling diode.
In einer Ausführungsform wird durch die Taktung der Halbleiterschalter ein Sollstrom geregelt.In one embodiment, a target current is regulated by timing the semiconductor switches.
Durch die erfindungsgemäße Lösung sind keine Schütze zur Auftrennung des Sternpunkts der elektrischen Maschine erforderlich. Die Boostfunktion nutzt die Hauptinduktivitäten der Statorwicklungen der elektrischen Maschine. Die elektrische Maschine und der Inverter können als einphasige PFC genutzt werden. Ferner können die elektrische Maschine und der Inverter als Boost-DC/DC-Wandler, zum Beispiel von 400 V auf 800 V, verwendet werden. Die erfindungsgemäße Lösung vermeidet einen Batteriekurzschluss bei einem Isolationsfehler im Fahrzeug und bei Varistorauslösung in der Ladestation (Chademo-Problem).The inventive solution eliminates the need for contactors to isolate the star point of the electric machine. The boost function utilizes the main inductances of the electric machine's stator windings. The electric machine and inverter can be used as a single-phase PFC. Furthermore, the electric machine and inverter can be used as a boost DC/DC converter, for example, from 400 V to 800 V. The inventive solution prevents battery short circuits in the event of an insulation fault in the vehicle and varistor triggering in the charging station (Chademo problem).
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.Embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to drawings.
Dabei zeigen:
-
1 eine schematische Ansicht eines Inverters zum Betrieb einer elektrischen Maschine mit einer Beschaltung, einschließlich einer DC-Anschlussdose und einer AC-Anschlussdose, -
2 eine schematische Ansicht einer vereinfachten Beschaltung des Inverters, -
3 eine schematische Ansicht einer weiter vereinfachten Beschaltung des Inverters, -
4 eine schematische Ansicht der vereinfachten Beschaltung des Inverters gemäß2 beim Laden an einer DC-Ladestation mit Boost-Funktion, -
5 ein schematisches Diagramm mit Signalen einer Simulation des Inverters beim Laden an einer DC-Ladestation mit Boost-Funktion, -
6 ein schematisches Diagramm mit Signalen der Simulation des Inverters beim Eintreten von Isolationsfehlern, -
7 ein schematisches Diagramm mit weiteren Signalen der Simulation des Inverters zur Veranschaulichung einer Potentialverteilung, -
8 eine schematische Ansicht der Beschaltung des Inverters beim Laden an einer AC-Ladestation während einer positiven Halbwelle, -
9 eine schematische Ansicht der Beschaltung des Inverters beim Laden an der AC-Ladestation während einer negativen Halbwelle, -
10 ein schematisches Diagramm mit Signalen einer Simulation des Inverters beim Laden an der AC-Ladestation, -
11 ein schematisches Diagramm mit Signalen der Simulation des Inverters beim AC-Laden zu Beginn der positiven Halbwelle, und -
12 ein schematisches Diagramm mit Signalen der Simulation des Inverters beim AC-Laden zu Beginn der negativen Halbwelle.
-
1 a schematic view of an inverter for operating an electrical machine with a circuit, including a DC connection box and an AC connection box, -
2 a schematic view of a simplified circuit of the inverter, -
3 a schematic view of a further simplified circuit of the inverter, -
4 a schematic view of the simplified circuit of the inverter according to2 when charging at a DC charging station with boost function, -
5 a schematic diagram with signals from a simulation of the inverter when charging at a DC charging station with boost function, -
6 a schematic diagram with signals of the simulation of the inverter when insulation faults occur, -
7 a schematic diagram with further signals of the inverter simulation to illustrate a potential distribution, -
8 a schematic view of the inverter circuitry when charging at an AC charging station during a positive half-wave, -
9 a schematic view of the inverter circuitry when charging at the AC charging station during a negative half-wave, -
10 a schematic diagram with signals from a simulation of the inverter during charging at the AC charging station, -
11 a schematic diagram with signals of the simulation of the inverter during AC charging at the beginning of the positive half-cycle, and -
12 a schematic diagram with signals from the simulation of the inverter during AC charging at the beginning of the negative half-cycle.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.Corresponding parts are provided with the same reference numerals in all figures.
Der Inverter 1 ist durch eine entsprechende Beschaltung dazu konfiguriert, beim Laden einer Hochvolt-Batterie 3 des Fahrzeugs mittels Gleichspannung über eine DC-Anschlussdose 4 und mittels einer einphasigen Wechselspannung über eine AC-Anschlussdose 5 verwendet zu werden.The
Die Beschaltung umfasst zwei Relais oder Relaiskontakte L, N zur Spannungsfreischaltung zweier Leiter, insbesondere eines Phasenleiters und eines Nullleiters, der AC-Anschlussdose 5. Ferner sind zwei Relais oder Relaiskontakte EVSE_P, EVSE_N zur Spannungsfreischaltung zweier Leiter, insbesondere eines positiven Potentialleiters und eines negativen Potentialleiters, der DC-Anschlussdose angeordnet. In Richtung des Inverters 1 sind je ein Relaiskontakt L, N und ein Relaiskontakt EVSE_P, EVSE_N untereinander zu einem Paar verbunden, beispielsweise zum einen der Relaiskontakt L mit dem Relaiskontakt EVSE_P und zum anderen der Relaiskontakt N mit dem Relaiskontakt EVSE-N.The circuit comprises two relays or relay contacts L, N for de-energizing two conductors, in particular a phase conductor and a neutral conductor, of the
Ferner ist eine Diode D1 zwischen dem Mittelabgriff einer der Halbbrücken HB1 bis HB3, beispielsweise der Halbbrücke HB1, und einem Paar der zusammengeschalteten Relaiskontakte L, EVSE_P in Sperrrichtung gepolt angeordnet.Furthermore, a diode D1 is arranged between the center tap of one of the half-bridges HB1 to HB3, for example the half-bridge HB1, and a pair of the interconnected relay contacts L, EVSE_P polarized in the reverse direction.
Ferner ist eine Diode D2 zwischen dem Mittelabgriff einer anderen der Halbbrücken HB1 bis HB3, beispielsweise der Halbbrücke HB2, und dem anderen Paar der zusammengeschalteten Relaiskontakte N, EVSE_N in Sperrrichtung gepolt angeordnet.Furthermore, a diode D2 is arranged between the center tap of another of the half-bridges HB1 to HB3, for example the half-bridge HB2, and the other pair of interconnected relay contacts N, EVSE_N, polarized in the reverse direction.
Ferner ist je eine Diode D3, D4 in Durchlassrichtung von einem negativen Hochvoltpotential HV- des Inverters 1 zu jedem Paar der zusammengeschalteten Relaiskontakte L, EVSE_P und N, EVSE_N angeordnet.Furthermore, one diode D3, D4 is arranged in the forward direction from a negative high-voltage potential HV- of the
Statt der Dioden D1 bis D4 kann jeweils auch ein alternatives Halbleiterbauelement mit Diodenfunktion eingesetzt werden, beispielsweise ein MOSFET mit Bodydiode in Richtung der jeweiligen Diode, ein IGBT mit entsprechender Freilaufdiode usw.Instead of the diodes D1 to D4, an alternative semiconductor component with diode function can also be used, for example a MOSFET with a body diode in the direction of the respective diode, an IGBT with a corresponding freewheeling diode, etc.
Zum Laden einer Hochvolt-Batterie 3 eines batterieelektrischen Fahrzeugs an einer DC-Ladestation 6, die eine maximale Ausgangsspannung (beispielsweise 500 V) bereitstellt, die geringer ist als eine Nennspannung (beispielsweise 800 V) der Hochvolt-Batterie 3, sind im Stand der Technik verschiedene Lösungen bekannt, beispielsweise eine Umschaltbatterie, ein separater Boost-DC/DC-Wandler, usw.For charging a high-
Die vorliegende Erfindung schlägt eine Lösung vor, bei der beim DC-Laden eine DC-Ladestation 6 so über die DC-Anschlussdose 4, die Relaiskontakte EVSE_P, EVSE_N und zumindest ein oder mehrere der Dioden D1, D2, D3, D4 mit dem Inverter 1 und der elektrischen Maschine 2 verbunden wird, dass nur mittels einer speziellen Ansteuerung mindestens eines oder mehrerer der Halbleiterschalter S1 bis S6 die Funktion eines galvanisch gekoppelten DC/DC-Wandlers dargestellt werden kann. Da der Stromfluss durch die Statorwicklungen L1 bis L3 einen realistischen Betriebspunkt der elektrischen Maschine 2 darstellt, kann hierbei die komplette Statorinduktivität verwendet werden. Die elektrische Maschine 2 bewegt sich dennoch nicht.The present invention proposes a solution in which, during DC charging, a
Im Falle eines Isolationsfehlers im Fahrzeug kann es als direkte Folge zu einer Überlastung der Isolation in dem entgegengesetzten HV_N Potential der DC-Ladestation 6 kommen. Durch Schutz-Varistoren in der DC-Ladestation 6 entsteht dabei ein Kurzschluss der Hochvolt-Batterie 3. Das Problem des Batteriekurzschlusses (mehrere tausend Ampere) wird in der vorgeschlagenen Architektur durch die Diode D4 vermieden. Außerdem ist es dabei wichtig, dass der jeweils taktende Halbleiterschalter S1 bis S6 im Inverter 1 im Falle dieses doppelten Isolationsfehlers nicht mehr aktiviert (eingeschaltet) wird. Es kann jedoch ein Kurzschluss der DC-Ladestation 6 bestehen bleiben.In the event of an insulation fault in the vehicle, this can directly result in insulation overload at the opposite HV_N potential of the
Aus
Sobald der angesteuerte Halbleiterschalter S4 geschlossen wird, werden die beiden Statorwicklungen L1 und L2 mit der Spannung der DC-Ladestation 6 beaufschlagt. Der Strom 11 durch die beiden Statorwicklungen L1 und L2 steigt an. In dieser Phase erfolgt keine Ladung der Hochvolt-Batterie 3. Wird der angesteuerte Halbleiterschalter S4 geöffnet, ist der einzige mögliche Freilaufpfad für den in den Statorwicklungen L1 und L2 eingeprägten Strom I2 über die Bodydiode des in derselben Halbbrücke befindlichen High-Side-Schalters, in diesem Fall des Halbleiterschalters S3. Zur Verlustoptimierung kann dieser Halbleiterschalter S3 geschlossen werden sobald der Strom I2 fließt. Der sich ergebene Strompfad führt über die Hochvolt-Batterie 3, sodass diese geladen wird.As soon as the controlled semiconductor switch S4 is closed, the two stator windings L1 and L2 are supplied with the voltage of the
Als Parameter für die Simulation wurden verwendet:
- Isolationswiderstände: 1 MOhm
- Induktivität der Statorwicklungen L1, L2, L3: 1000 µF
- Innenwiderstand Ri_Batt (dargestellt in
1 ) der Hochvolt-Batterie 3 (dargestellt in1 ) und der DC-Ladestation 6: 0,1 Ohm
- Insulation resistance: 1 MOhm
- Inductance of the stator windings L1, L2, L3: 1000 µF
- Internal resistance Ri_Batt (shown in
1 ) of the high-voltage battery 3 (shown in1 ) and the DC charging station 6: 0.1 Ohm
In
Wenn der Halbleiterschalter S4 geschlossen ist, steigt der Strom in den beiden Statorwicklungen L1, L2 an. Es ist zu sehen, dass der Strom I_Q der DC-Ladestation 6 identisch zum Betrag des Stroms in den Statorwicklungen L1, L2 ist. In dieser Zeit findet keine Ladung der Hochvolt-Batterie 3 statt (Strom I_L= 0). Der Strom steigt in dieser Phase an, bis er den Sollwert von 125 A erreicht hat. Normalerweise wäre dies allerdings durch den großen Zwischenkreiskondensator C (dargestellt in
Ab dem Zeitpunkt t= 0,7s findet der zweite Isolationsfehler vom negativen Hochvoltpotential HV_N (dargestellt in
In der Simulation wurden die Hochvoltpotentiale HV_P, HV_N der DC-Ladestation 6 (dargestellt in
Ab dem Eintreten des ersten Isolationsfehlers im Fahrzeug bei t=0,5 s verschieben sich die Potentiale sowohl im Fahrzeug als auch in der DC-Ladestation 6 um 500 V nach unten. Sobald das Takten des Halbleiterschalters S4 (dargestellt in
Ab t=0,7s wird nun ein zweiter Isolationsfehler in der DC-Ladestation 6 von HV_N zu PA angenommen. Auch dieser Isolationsfehler wird als idealer Kurzschluss mit 0 Ohm angenommen. Somit ergibt sich eine Potentialverteilung von 0 V von HV_P zu PA und gleichzeitig von 0 Ohm von HV_N zu PA auf Seiten der DC-Ladestation 6. Dies ist jedoch nur als theoretische Verteilung zu betrachten, da anzunehmen ist, dass ein Isolationsfehler zwar niederohmig ist, jedoch nie 0 Ohm erreichen wird.Starting at t=0.7s, a second insulation fault is assumed in
In der positiven Halbwelle der von der AC-Ladestation 7 eingespeisten Wechselspannung ist die Funktion der Schaltung identisch zur oben gezeigten Funktion des Boosters. Über die Taktung des Halbleiterschalters S4 wird auf einen Sollstrom geregelt. Dieser Sollstrom ist abhängig vom aktuell anliegenden Momentanwert der Wechselspannung. Solche Regelungsverfahren entsprechen dem Stand der Technik zur Regelung von Wechselströmen einer Leistungsfaktorkorrektur (PFC - Power Factor Correction). Bei geschlossenem Halbleiterschalter S4 fließt ein Strom 11 von der AC-Ladestation 7 über den Relaiskontakt L, die Diode D1, die Statorwicklung L1, den Sternpunkt der elektrischen Maschine 2 (dargestellt in
Im Diagramm dargestellt sind die Quellenspannung U_Q der AC-Ladestation 7, die Steuersignale Gate_S2, Gate_S4 der Halbleiterschalter S2, S4 (dargestellt in
In der negativen Halbwelle wird mit entgegengesetztem Vorzeichen geschaltet, das heißt sobald der Strom um 1 A unterhalb des (negativen) Sollstroms liegt, wird der Halbleiterschalter S2 geöffnet. Sobald der Strom um 1 A oberhalb des Sollstroms liegt, wird der Halbleiterschalter S2 wieder geschlossen.In the negative half-wave, switching occurs with the opposite sign, i.e., as soon as the current is 1 A below the (negative) target current, semiconductor switch S2 opens. As soon as the current is 1 A above the target current, semiconductor switch S2 closes again.
Wird bei der Simulation die Spannung zwischen dem negativen Hochvoltpotential HV-(dargestellt in
Zur Abhilfe können
- 1. kleine Y-Kapazitäten im Bereich der PFC angeordnet und anschließend eine galvanische Trennung über einen isolierenden DC/DC-Wandler vorgenommen werden, oder
- 2. ein kompensierender Strom auf dem Schutzleiter PE eingespeist werden.
- 1. small Y-capacitors are arranged in the PFC area and then galvanically isolated via an isolating DC/DC converter, or
- 2. a compensating current is fed into the protective conductor PE.
Anmerkung zu 1.: Bei 800V-Fahrzeugen müssen die Y-Kapazitäten des Fahrzeugs bedingt durch die C1-Kennlinie geringer gehalten werden als bei 400V-Fahrzeugen. Note to 1.: For 800V vehicles, the Y-capacitances of the vehicle must be kept lower than for 400V vehicles due to the C1 characteristic curve.
Heruntergebrochen auf die Y-Kapazität des Inverters 1 (dargestellt in
Es wird deutlich, dass bei 800V-Fahrzeugen der Ableitstrom wesentlich geringer ist.It is clear that the leakage current is much lower in 800V vehicles.
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- InverterInverter
- 22
- elektrische Maschineelectric machine
- 33
- Hochvolt-BatterieHigh-voltage battery
- 44
- DC-AnschlussdoseDC junction box
- 55
- AC-AnschlussdoseAC junction box
- 66
- DC-LadestationDC charging station
- 77
- AC-LadestationAC charging station
- AA
- Strommessgerätammeter
- CC
- ZwischenkreiskondensatorDC link capacitor
- D1 bis D4D1 to D4
- Diodediode
- EVSE_NEVSE_N
- RelaiskontaktRelay contact
- EVSE_PEVSE_P
- RelaiskontaktRelay contact
- Gate_S2, Gate_S4Gate_S2, Gate_S4
- Steuersignalcontrol signal
- HB1 bis HB3HB1 to HB3
- HalbbrückeHalf bridge
- HV+, HV_PHV+, HV_P
- Hochvoltpotential, positives HochvoltpotentialHigh voltage potential, positive high voltage potential
- HV-, HV_NHV-, HV_N
- Hochvoltpotential, negatives HochvoltpotentialHigh voltage potential, negative high voltage potential
- I1, I2, I_HV+, I_HV-, I_Q, I_L1, I_L2I1, I2, I_HV+, I_HV-, I_Q, I_L1, I_L2
- StromElectricity
- I_LI_L
- LadestromCharging current
- LL
- RelaiskontaktRelay contact
- L1 bis L3L1 to L3
- StatorwicklungStator winding
- NN
- RelaiskontaktRelay contact
- S1 bis S6S1 to S6
- Halbleiterschaltersemiconductor switches
- Ri_BattRi_Batt
- InnenwiderstandInternal resistance
- U_QU_Q
- QuellenspannungSource voltage
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Citations (3)
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|---|---|---|---|---|
| DE102021003852A1 (en) * | 2021-07-27 | 2021-09-23 | Daimler Ag | Electric drive system for a vehicle and method for operating a corresponding electric drive system |
| CN215793231U (en) * | 2021-09-28 | 2022-02-11 | 浙江方正电机股份有限公司 | Integrated structure of inverter, charger and motor winding |
| DE102021003883A1 (en) * | 2021-07-27 | 2023-02-02 | Mercedes-Benz Group AG | Electric drive system for a vehicle, vehicle with a corresponding electric drive system and method for operating a corresponding electric drive system |
Family Cites Families (3)
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| DE102015102517B4 (en) * | 2015-02-23 | 2025-07-03 | Dr. Ing. H.C. F. Porsche Aktiengesellschaft | Vehicle with a charging system for a battery |
| DE102015225574A1 (en) * | 2015-12-17 | 2017-06-22 | Robert Bosch Gmbh | Method and device for charging a battery |
-
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Patent Citations (3)
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|---|---|---|---|---|
| DE102021003852A1 (en) * | 2021-07-27 | 2021-09-23 | Daimler Ag | Electric drive system for a vehicle and method for operating a corresponding electric drive system |
| DE102021003883A1 (en) * | 2021-07-27 | 2023-02-02 | Mercedes-Benz Group AG | Electric drive system for a vehicle, vehicle with a corresponding electric drive system and method for operating a corresponding electric drive system |
| CN215793231U (en) * | 2021-09-28 | 2022-02-11 | 浙江方正电机股份有限公司 | Integrated structure of inverter, charger and motor winding |
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